Sonderforschungsbereich 881

Der SFB 881 ist in zwei Hauptthemenbereiche unterteilt:
Forschungsbereich A untersucht die Entstehungsgeschichte der Milchstraße in einem kosmologischen Kontext auf sehr großen Zeitskalen, während sich Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen im Forschungsbereich B auf lokalere Prozesse wie Sternentstehung und das Zusammenspiel von Sternen, Staub und Gas in der Galaxis konzentrieren.

Solche Prozesse finden und fanden durch die gesamte Entwicklung der Galaxis hindurch statt und bestimmen so das heutige Erscheinungsbild der Milchstraße. Ihre Lage und Intensität wird durch die Verteilung der Massen an sichtbarer und „nicht-sichtbarer“ (dunkler) Materie bestimmt. Diese Verteilung variiert aber über sehr große Zeitskalen und Entfernungen hinweg. Ein umfassender Blick auf die Milchstraße und ihre Entstehung erfordert daher das Verständnis der physikalischen Prozesse über alle räumlichen und zeitlichen Skalen, angefangen von kosmologischen Prozessen bis hin zu den relativ lokalen Sternentstehungsprozessen und ihrem Zusammenspiel.

Forschungsbereich A

Der Teilbereich A des SFB 881 konzentriert sich auf die Erforschung der Entstehungsgeschichte der Milchstraße auf globalen Skalen. Dazu stehen den Astronominnen und Astronomen prinzipiell zwei unterschiedliche Methoden zur Verfügung: Zum Einen können sie direkte, astronomische Beobachtungen der Galaxis (etwa mit Teleskopen oder Satelittenmissionen) nutzen und damit sowohl die heutige Struktur als auch die chemische Zusammensetzung an verschiedenen Orten untersuchen. Zum Anderen bedienen sich die Wissenschaftler*innen komplexer dynamischer Modellierungen und Simulationen im Computer. Hier können sie die Entwicklung der Milchstraße über die gesamte Lebensdauer des Universums nachvollziehen.

Warum sieht die Milchstraße also so aus wie sie heute aussieht?
Der helle, also für uns sichtbare Teil der Milchstraße besteht aus „normaler“, sichtbarer Materie, die sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammensetzt. Diese grundlegenden Bausteine des Universums können Licht in Form von Photonen aussenden. Dieser sichtbare Teil der Galaxis ist aber von einem viel größerem Halo aus zumeist dunkler Materie umgeben. Wissenschaftler vermuten, dass die dunkle Materie maßgeblich für die Entstehung von Galaxien (und anderer Strukturen in unserem Universum) verantwortlich war und noch ist: Zu Beginn war die Materie in unserem Universum sehr gleichmäßig verteilt. Es gab allerdings minimale Fluktuationen innerhalb der Verteilung der dunklen Materie. An diesen Stellen wurde mit der Zeit immer mehr Masse angezogen und es bildeten sich Filamente aus dunkler Materie, die im Laufe der Entwicklung des Universums zu noch größeren Strukturen zusammenwuchsen. Durch die zunehmende Masse wurde die Gravitationskraft größer und rief dadurch auch eine zunehmende Konzentration von sichtbarer Materie an diesen Stellen hervor. Dadurch sammelte sich die sichtbare Materie im Zentrum des Halos aus dunkler Materie, wo wir sie heute beobachten können.

Aufgrund unserer Lage innerhalb der Milchstraße haben wir daher ideale Bedingungen, um „galaktische Archäologie“ zu betreiben. Indem Astronom*innen Objekte innerhalb der Galaxis untersuchen und nach Spuren ihrer vergangenen Entwicklung suchen, können sie deren Entstehung nachvollziehen. Mit diesen Beobachtungen lassen sich die Vorhersagen über die Entstehung des Universums im Allgemeinen und der Milchstraße im Speziellen dann testen.

Der Forschungsbereich A umfasst dabei die folgenden Teilprojekte:

A1: Hochaufgelöste hydrodynamische Simulationen der Entstehung der Milchstraße im kosmologischen Zusammenhang

A2: Milchstraßensatelliten als kosmologische Sonden

A3: Kartierung der Außenbereiche der Milchstraße

A4: Die chemischen Häufigkeitsmuster der metallärmsten Sterne

A5: Beobachtende galaktische Chemodynamik

A6: Galaktische Archäologie: Die Entwicklung der Sonnenumgebung

A7: Dunkle Materie und fossile Archive in der Sonnenumgebung

A8: Erforschung der Entstehung des stellaren Milchstraßenhalos durch Chemodynamik von Kugelsternhaufen

A9: Definition und Vorbereitung der 4MOST Milchstraßendurchmusterung

A10: Produktion von Eisen in thermonuklearen Supernovae

Forschungsbereich B

Wissenschaftler*innen des Forschungsbereichs B untersuchen das komplexe Zusammenspiel von Sternen, Staub und Gas in der Milchstraße. Diese einzelnen Komponenten interagieren teils auf komplizierte Weise miteinander. Ihre Wechselwirkungen untereinander können sowohl relativ lokale Auswirkungen haben, als auch über große zeitliche und räumliche Entfernungen wirken.

Wir wollen nachvollziehen, unter welchen Bedingungen die kalten Molekülwolken, in denen Sternentstehung stattfindet entstehen, wie sich im Inneren solcher Wolken dann Sterne bilden können und welche Rückkopplungsprozesse dabei stattfinden. Der theoretische Ansatz hierzu erfordert fundierte Kenntnisse der Physik von Gasen (Turbulenz, Hydrodynamik), der Astrochemie (um die verschiedenen Phasen des Interstellaren Mediums, ISM, und ihre chemischen Eigenschaften zu beschreiben), der Strahlungsphysik (Strahlungstransfer im ISM, Strahlungsrückkopplung durch massive Sterne), der Sternentwicklung und der Gravitation.
Beobachtbare Größen, die eine Aufschluss darüber geben können, sind einerseits die räumliche Verteilung der verschiedenen Komponenten des ISM und ihre Geschwindigkeitsstruktur, die Lage, Kinematik und chemische Zusammensetzung der Sterne, sowie die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen den gasförmigen und stellaren Komponenten der Milchstraße.
Dabei sind die Fragestellungen im Forschungsbereich B eng mit denen aus dem Teilgebiet A verbunden, da eine zentrale Frage der galaktischen Evolution eben der Materiefluss aus dem interstellaren Gas in Sternform und zurück ist.

Forschungsbereich B ist in folgende Teilprojekte unterteilt:

B1: Sternentstehung, Dynamik der interstellaren Materie, und das filamentäre Skelett der Milchstraße

B2: Sternhaufenentstehung und Entwicklung – von Molekülwolken bis hin zu Gezeitenfeldern

B5: Ein astrometrischer, photometrischer und spektroskopischer Zensus galaktischer offener Sternhaufen

B7: Stellarer Zensus und kinematische Strukturen in der Sonnenumgebung

B8: Sternentstehung im Zentrum der Milchstraße

B9: Eine auf Gaia basierende dreidimensionale Staubkarte der Milchstraße

P1: Sternentstehung in den Magellanschen Wolken